淺談門式剛架結構設計中的一些問題

荊曉麗 煤炭工業太原設計研究院集團有限公司

1 前言

隨著我國經濟的迅速發展，門式剛架由于其結構體系簡單，設計施工難度低，安裝簡便，施工周期短、占地小，工程造價低，可多次拆裝、重復使用等優點，在我國南北方地區被廣泛采用。門式剛架結構形式備受建設方及設計人員的青睞，在某種程度上基本取代了鋼筋混凝土結構。門式剛架結構是一種剛性構造的鋼架結構，屬于鋼結構中的一種。其主體由門框、支撐裝置、桿件以及各種附件等組成，具有自重輕且穩定的特點。隨著鋼結構技術在我國建筑上廣泛應用，也出現了不少問題。例如支座水平剛度不夠、支座下端受力不均勻、支座下端偏心，使建筑重心偏西等，引起大量糾紛。為了提高鋼結構工程質量，防止設計和施工中出現各種質量問題及安全事故，必須對門式剛架進行深入研究及全面設計，它是由多個主要節點的獨立支承形成的連桿體系。

2 門式剛架規范的適用范圍

GB 51022—2015《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》（以下簡稱《門規》）的應用領域在實踐中往往被忽略，《門規》1.0.2條對該規范的應用領域做了較詳細的說明，對于超過規范要求的門剛設計，應以現行GB 50017《鋼結構設計標準》為依據進行設計。

（1）《門規》適用于符合以下條件的鋼結構：①主要承重結構為單跨或多跨實腹式門式剛架；②輕型屋蓋、輕型外墻；③無橋式吊車或由起重量不大于20t的A1～A5工作級別橋式吊車或3t懸掛式起重機；④跨度在9m～36m范圍內。

（2）對于超出上述適用范圍的門式剛架，除了圍護結構和檁條、墻梁等次要結構可參照《門規》的相關規定進行設計之外，主結構的設計應按照現行GB 50017《鋼結構設計標準》相關要求執行。

3 門式剛架設計時荷載取值

我國門式剛架設計時荷載取值主要設計依據現行GB 50017《鋼結構設計標準》、GB 51022《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》、GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》。

3.1 荷載及荷載組合

（1）永久荷載。永久荷載包括屋面、檁條、支撐、吊頂、墻面構件和剛架自重等。設計時往往會出現永久荷載取值偏小或者漏算，如屋面板或者墻板采用夾心壓型鋼板，但是計算卻按照單層非夾芯板的重量采用；或者漏算墻梁傳至鋼架的荷載等。

（2）可變荷載。可變荷載包括屋面活荷載（設計屋面板和檁條時應考慮施工和檢修集中荷載，其標準值為1kN且作用在結構最不利位置上）、屋面雪荷載和積灰荷載、吊車荷載、地震作用、風荷載等。同時需要注意，吊掛荷載宜按活荷載考慮，當吊掛荷載位置固定不變時，也可按照恒載考慮。對于承受水平投影面積大于60m2的鋼架構件，屋面豎向均布活荷載的標準值可取不小于0.3kN/m2，但是此時應注意，這個取值僅適用于只有一個可變荷載的情況，當有兩個或兩個以上的可變荷載考慮荷載組合值系數參與組合時，屋面活荷載組合值系數仍應取0.5kN/m2。

（3）風荷載。由于風荷載往往是確定主體結構的截面尺寸的主要荷載，在風荷載的取值上除了要滿足現行相關規范外，也要根據項目所在地區的實際氣象資料計算，同時還應注意以下兩點：根據現行《門規》規范規定，在計算主鋼架時系數取1.1；計算檁條、墻梁、屋面板和墻面板及其連接件時系數取1.5；主要門剛高度不同時風壓高度變化系數也應按照現行《建筑結構荷載規范》執行，設計人員在手算復核時要注意新規范與舊規范的區別，以免造成計算錯誤。

（4）雪荷載。按照現行GB 50009《建筑結構荷載規范》的規定，門式剛架輕型鋼結構基本雪壓按照100年重現期取值，同時在選取雪荷載時要注意各地區的積雪平均密度，根據規范劃分的范圍確定所在區域積雪的平均密度；對門式剛架高低跨處、多跨門的內天溝處，房屋突出及女兒墻部位，還應考慮積雪不均勻分布的不利影響，尤其是檁條計算時容易遺漏此處的積雪荷載，工程設計中可考慮在這些區域減小檁條間距的布置。

（5）荷載組合。荷載組合一般應遵從現行《建筑結構荷載規范》的規定，《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》根據其自身的特性，提出了以下幾個基本原理。①屋頂均布活荷載不與雪載荷同時考慮，應取兩者中的較大值。②積灰荷載與雪荷載或屋面均布活荷載中的較大值同時考慮。③施工或檢修集中荷載不與屋面材料或檁條自重以外的其他荷載同時考慮。④按《建筑結構荷載設計規范》中有關的有關規定，考慮多個起重機的聯合使用。⑤在考慮到地震影響的情況下，不能將風荷載和地震荷載結合起來。

4 鋼架的選用

（1）一般情況下，當鋼架跨度較小時，門和剛體的結構以強度為主，這時可以選擇高強度的鋼板、厚度更大的翼緣，使其橫斷面變得更低，成本更低，且保證了安全。而在大跨度鋼框架中，由于其具有鋼框架變形，建議采用更薄、更高的腹板，以有效控制鋼框架變形，并使其在適當的受力范圍內。因為先前的強度不會對變形產生任何影響，設計者可選擇更便宜的鋼板，既安全又省錢。在能達到強度又達到變形的條件下，主鋼架構件受壓板件中，工字型截面構件受壓翼緣板自由外伸寬度與其厚度之比不應大于工字型截面梁、柱構件腹板的計算高度與其厚度之比不應大于250。

（2）柱腳的設計。門式剛架一般采用外露式柱腳，柱腳錨固連接節點根據其受力特點的不同，又分為鉸接柱腳節點和剛接柱腳節點。

鉸接柱腳可以將柱的軸力和剪力傳遞給基礎，柱的軸向壓力通過底板直接傳遞給基礎，拉力由底板經過錨栓傳遞給基礎，地基受到的軸向和橫向剪切很小，結構和受力都較簡單，造價也較低。

而柱腳剛接時，作用于柱的軸力、剪力和彎矩通過柱腳傳遞給基礎，因為同時存在軸向力、剪力和彎矩，故基礎的尺寸很大。《門規》5.1.4條規定“門式剛架的柱腳宜按鉸接支承設計，當用于工業廠房且有5t以上橋式吊車時，可將柱腳設計成剛接”。門式剛架的柱腳采用鉸接還是剛接還要看房屋的高度和風荷載的大小，如果房屋的高度較大風荷載也較大，就是無吊車，若柱腳采用鉸接，柱頂位移較大，為控制柱頂位移要增大梁柱斷面，增加用鋼量。另外，門式剛架的柱腳是采用鉸接還是剛接還要考慮土質情況及基礎造價。一般采用剛接柱腳，由于基礎要承受較大的偏心彎矩，基礎的平面尺寸和造價較采用鉸接柱腳的基礎要大，土質情況差的時候，相差會更大。因此，選用何種柱腳形式要根據房屋的高度、風載大小、有無吊車、吊車的噸位和工作情況及土質情況等綜合考慮。

5 結構支承體系的布置

門式剛架輕型鋼結構中，剛架跨度越大，支承體系的剛度作用就越明顯，支承是連接主要承重構件使其組成整理的重要組成部分。柱間支撐和屋面支承是抵抗縱向風荷載作用和地震荷載作用的主要構件。柱間支撐采用的形式適宜采用門式框架、圓鋼或纜索交叉支撐、型鋼交叉支撐、方管或圓管等人字支撐。若建筑高度超過2個立柱間隔，則分別在支撐工作平臺、大工藝荷載、吊車牛腿荷載和低屋頂時，相應地在這兩個節點上分別設置支撐點。柱間支承的布置要視房子縱向柱距、受力情況、溫度區等情況而定，在沒有起重機的情況下，柱間支承的間隔應該為30m～45m，如果有起重機，則在溫度區的中間位置。

屋面支撐作為抵抗縱向風荷載作用和地震荷載作用的主要構件，能保證結構的空間整體作用，避免壓桿側向失穩，防止拉桿產生過大的振動，承擔和傳遞水平荷載，保證結構安裝時的穩定與方便。橫向水平支撐一般應設置在房屋兩端或縱向溫度區段兩端，有時可布置在第二個柱間，但第一個柱間要設置剛性系桿以支持端屋架和傳遞端墻風力。兩道橫向水平支撐間的距離不宜大于60m，當房屋較高、跨度較大、空間剛度要求較高時，設有支承中間屋架的托架，或設有重級或大噸位的中級工作制橋式吊車等較大振動設備時，均應在屋架端節間平面內設置縱向水平支撐，縱向水平支撐和橫向水平支撐形成封閉體系將大大提高房屋的縱向剛度。單跨廠房一般沿兩縱向柱列設置，多跨廠房要根據具體情況，沿全部或部分縱向柱列布置。

在橫向支撐或垂直支撐節點處沿房屋通長設置系桿。在屋架上弦平面內，對無檁體系屋蓋應在屋脊處和屋架端部處設置系桿；對有檁體系只在有縱向天窗下的屋脊處設置系桿。在屋架下弦平面內，當屋架間距為6m時，應在屋架端部處、下弦桿有彎折處、與柱剛接的屋架下弦端節間受壓但未設縱向水平支撐的節點處、跨度≥18m的芬克式屋架的主斜桿與下弦相交的節點處等部位皆應設置系桿。當屋架間距≥12m時，支撐桿件截面將大大增加，多耗鋼材，合理的做法是將水平支撐全部布置在上弦平面內并利用檁條作為支撐體系的壓桿和系桿，而作為下弦側向支承的系桿可用支于檁條的隅撐代替。

6 防腐蝕處理

在鋼結構的使用過程中，鋼構件與環境中的腐蝕性介質發生化學反應，導致鋼構件被銹蝕，造成鋼構件的力學性能下降或整個結構變形、倒塌，因此應特別重視鋼結構的防腐蝕性處理。

6.1 鋼結構腐蝕的主要影響因素

從目前來看，主要影響鋼結構表面腐蝕的有自然因素、涂料老化，施工原因等。

（1）常溫下（100℃以下）鋼材的腐蝕機理。常溫下鋼鐵的腐蝕主要是電化學腐蝕，鋼建筑在大氣中常溫下工作，由于大氣中的水分、氧和其他雜質（焊渣、銹層）的影響，導致鋼的銹蝕。當空氣中濕度低于60%時，鋼鐵的侵蝕程度較小；但在一定濕度下，鋼筋的銹蝕速率會急劇上升，即臨界濕度。在室溫條件下，普通鋼的平均相對濕度在60%～70%之間，如果大氣受到污染或海水中含有鹽分，則其臨界濕度較小，鋼鐵表層會出現一層水薄膜。在水薄膜中，以焊接渣層和未經清洗的氧化鐵（氧化鐵）為負極，以鋼結構部件（基體）為陽極電化學。空氣中的濕氣在鋼鐵表面上吸收會產生一層水層，是導致鋼鐵材料的侵蝕的主要原因；空氣中的含水量和污染濃度是影響空氣侵蝕的主要原因。

（2）高溫下（100℃以上）鋼材的腐蝕機理。高溫下鋼鐵的腐蝕主要是化學腐蝕。高溫狀態下，水以氣態存在，電化學作用很小，降為次要因素。對于一些小構件的銹蝕也應引起重視。例如墻面板與檁條連接處，若雨水沿其連接處的縫隙深入，在長期的接觸氧化作用下，雨水慢慢銹蝕連接件，其造成的損失也很大。

6.2 防止鋼結構腐蝕的有效處理方法

①采用耐腐蝕性的鋼材，如摻銅、鉻、鎳等合金組合的低合金鋼；②使用涂層和金屬鍍層保護，如熱鍍鋅法、涂層法等；③降低大氣濕度，如合理設置屋面坡度，防止鋼結構縫隙中存水等；④長效防腐蝕——陰極保護法，在鋼結構表面附加較活潑的金屬取代鋼材的腐蝕，此方法常用于水下或地下結構；⑤化學保護層法，是用化學或電化學的方法，使件數表面生成具有耐腐蝕性的薄膜，以此隔離金屬與腐蝕性介質的接觸，如鋼鐵的鈍化、磷化處理。

7 支座的水平剛度

鋼結構支座主要起到承重作用，當承受水平力作用較大時，才能保證構件的穩定和可靠。而鋼構件由于材料性質的差異產生的剛度差異往往成為支座水平剛度不夠的主要原因。主要原因為：①施工安裝難度大，支座位置和長度無法準確確定，使得水平剛度相差很大。②建筑水平高或小，支座尺寸較小，使得支座所受彎矩小于正常支座，抗震能力較差，因而引起不必要的損失。③施工安裝精度不夠，對某些關鍵部位的支座安裝位置和尺寸等未做嚴格限定。根據GB 50206—2008《鋼結構工程技術規范》第8.1.2條規定，支座位置誤差不得超過3mm，支座高度誤差不得超過2mm，水平剛度誤差不超過2MPa等。但實際施工過程中，由于支座位置不一或偏差較大時，水平剛度會受到影響且不均勻。必須加強設計過程中對各部件的水平剛度的控制，保證建筑物正常抗震能力的要求。對每個部件在確定位移時至少應采取兩個措施：一是控制撓度偏差，二是確定承載力。當支座位移量很小時，一般采用提高水平剛度的方法控制其水平位移和抗水平地震力性能上的影響；當支座位移量大時，采用提高豎向剛度控制其水平位移和抗水平地震力性能上的影響。

8 結構布置與計算

對于上部結構，可采用分段布置。但在高層住宅建筑中，為了減少因地震荷載引起的側向位移采用分段布置的方式。但這種布置方式由于自重小，且使建筑重心偏西導致房屋橫向剛度不夠。門式剛架結構則應采用分層布置方法，高層建筑還應考慮門框的水平剛度問題，也要考慮高層建筑所用荷載的大小，其強度以及水平變形、豎向位移等也應采用分層布置的方法，即將每一層按規定的豎向荷載（每層的豎向位移）和水平變形（水平位移在整個樓層內變化）綜合考慮計算結果后進行設計。門式剛架結構由于其上部結構由多個構件組成，所以對混凝土抗壓強度提出了較高的要求；且門式剛架各構件間的相互作用力在設計時要進行計算，使其相互影響減小整體強度的損失。合理布置不同的柱、梁、墻及桁架等構件，能夠更好地適應高層建筑結構特點及抗震性能的要求。

9 結束語

門式剛架房屋以其跨度大、重量輕、施工速度快、綜合經濟指標低和適用范圍廣等特點，在各種結構中使用越來越多，已有了豐富的實踐經驗，但仍存在較多問題有待探討，需要不斷地探索分析，提高設計質量，以保證門式剛架輕鋼結構的安全性和合理性。